Pobierz artykuł - epsilon-x

Zygmunt J. Grabarczyk
BADANIA MOŻLIWOŚCI ZAPŁONU WODORU
PRZEZ WYŁADOWANIA ULOTOWE
Streszczenie:
W artykule przedstawiono laboratoryjne badania nad zapłonem wodorowej atmosfery wybuchowej przez dodatnie
ulotowe wyładowania elektryczne. Jako komorę wybuchową zastosowano kondensator współosiowy o wewnętrznej
objętości 509 ml, zamontowany w tarflenowej rurze, w celu zapobieżenia upływowi przy wysokim napięciu zasilania.
Komorę napełniano mieszaniną wodoru z powietrzem atmosferycznym. Przewód wewnętrzny kondensatora, o
średnicy 0,32 mm, polaryzowano przy pomocy zasilacza wysokiego napięcia stałego. Przewód ulotowy oddzielono
od wyjściowej pojemności elektrycznej zasilacza za pomocą rezystora wysokonapięciowego o rezystancji 1 MΩ. W
trakcie badania, natężenie prądu ulotowego było w ciągły sposób zwiększane aż do momentu zapłonu. Najmniejsze
wartości prądu wyładowania zarejestrowano przy objętościowym stężeniu wodoru od 18 do 22% i wyniosły one od
100 do 130 µA przy mocy dostarczonej do elektrody od 1 do 2 W. Energia zgromadzona w pojemności elektrycznej
układu elektrod, wynoszącej 0,84 pF, w momencie zapłonu była większa od minimalnej energii zapłonu wodoru,
stąd nie można wykluczyć, ze ostatecznym czynnikiem zapalającym mogły być słabe wyładowania iskrowe, w które
mogły przekształcić się wyładowania ulotowe.
Abstract:
Abstract text should contain about 150 – 250 words, short description of raised problems, present conclusions.
The paper presents laboratory research on ignition of the hydrogen explosive atmosphere by positive corona
discharges. Coaxial capacitor of 509 ml inner volume, mounted inside polytetrafluoroethylene pipe, to avoid current
leakage at high voltage, was used as an explosion chamber. The camber was filled up with the mixture of hydrogen and
atmospheric air. Inner central wire with 0.32 mm diameter in the centre was polarised from regulated HV DC supplier.
Corona wire was separated from the output electric capacitance of the supplier by 1 MΩ resistor. Corona current was
continuously increased up to the moment of ignition. The minimum registered incendive corona current was noticed
in the range 100 – 130 µA, at the volume hydrogen concentration 0.18 – 22%, at the power 1 – 2 W. The energy
stored in the chamber capacitance (0.84 pF), was higher than minimum ignition energy of hydrogen in the ignition
moment, so it cannot be excluded that real igniting phenomenon could be a corona developed to small spark.
————————————
1. Wstęp
Wyładowanie
ulotowe
jest
niskoenergetycznym
wyładowaniem jednoelektrodowym, spowodowanym
jonizacją powietrza wokół zasilanego wysokim napięciem
przewodu, jeżeli natężenie pola przekracza wartość
wytrzymałości dielektrycznej powietrza lokalnie, ale nie
wzdłuż całej odległości elektrody od elektrody (ziemi)
przeciwnie spolaryzowanej. Strefa jonizacji czyli obszar
powielania nośników i generacji plazmy rozciąga się do
kilkuset mikrometrów od ostrza lub krawędzi skupiającej
linie pola elektrycznego. Ulot dodatni (ulot z elektrody o
potencjale elektrycznym dodatnim w stosunku do
otoczenia) z powierzchni cienkiego przewodu
charakteryzują wyrzuty plazmy i strimerów prowadzące
finalnie do wyładowań iskrowych, lub w przypadku
ograniczenia natężeni prądu, do wyładowań iskrowych.
Temperatura jonów w strimerze osiąga ok. 1000 K [6]. W
strefie unipolarnej, poza strimerem, nośnikami prądu są
jony dodatnie, o temperaturze zbliżonej do temperatury
otoczenia. Wynika stąd, że zapłon nie jest możliwy w
strefie unipolarnej tego wyładowania. Wystarczająco
gorącym do wywołania zapłonu mógłby być obszar
strimera.
Opinie wyrażane w literaturze na temat możliwości
zapłonu wodoru i innych gazów i par palnych o
minimalnej energii zapłonu (MEZ) znacznie mniejszej od
0,1 mJ są podzielone. Przeciwnicy takiej możliwości biorą
pod uwagę tylko charakter dyfuzyjny wyładowania (np.
[4], [8]), czyli wyłącznie strefę unipolarną, natomiast
zwolennicy (np. [1] – [3], [9]) zazwyczaj nie analizują
głębiej zjawisk potencjalnych mechanizmów zapłonu. Po
2000. roku opublikowano kilka prac (np. [1] – [3], [9]) w
których stawiano robocze hipotezy o możliwości zapłonu
wodoru uwolnionego z instalacji ciśnieniowych przez
wyładowania ulotowe z naelektryzowanego pyłu. Nadal
pozostaje otwarte pytanie, czy wodór, którego
temperatura samozapłonu leży w zakresie ok. 790 – 830
K [4], może być skutecznie zapalany przez dodatnie
strimery. Z braku dostępnych, przekonywujących analiz
teoretycznych tego problemu, w CIOP-PIB podjęto
badania doświadczalne.
Sympozjum naukowo-techniczne
„Bezpieczeństwo techniczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem.” EpsilonX 2013
Główny Instytut Górnictwa, Katowice
2. Metoda badań
Stanowisko badawcze składało się z:
− komory wybuchowej własnej konstrukcji (por. rys. 1),
− zasilacza FC60R2-220 (Glassman High Voltage, Inc.,
USA), stałego wysokiego stałego napięcia o zakresie
napięciowym 1 – 60 kV (rozdzielczość 100V) i
zakresie prądowym 0 - 2 mA (rozdzielczość 10 µA),
− cyfrowych regulatorów przepływu ERG050 and
ERG200, (Beta-Erg Sp. z o.o., Polska) o maksymalnej
prędkości przepływu odpowiednio 50 i 200 ml/min,
− źródło suchego powietrza i wodoru – butle
ciśnieniowe o pojemności 10 l/100 barów.
− mieszanie powietrza z wodorem w trójniku na wyjściu
regulatorów.
W celu przeprowadzenia badań, wykonano komorę
wybuchową o pojemności 509 ml, pokazaną na rys. 1.
Komora składa się ze współosiowego kondensatora o
wewnętrznej średnicy przewodu cylindrycznego 73 mm,
długości 100 mm i średnicy wolframowego przewodu
ulotowego – 0,32 mm. Pojemność własna kondensatora
wynosiła 0,84 pF. Kondensator umieszczony jest w
komorze tarflonowej zamkniętej szczelnie od dołu oraz
przykrytej od góry ruchomą pokrywą unosząca się w
czasie wybuchu do góry. Pokrywa zakończona jest
spiralną rurką wyprowadzającą gazy z komory w trakcie
jej napełniania, w celu zachowania w komorze ciśnienia
atmosferycznego. Spirala zapobiega ucieczce wodoru z
komory po zamknięciu zaworu na przewodzie
doprowadzającym gazy atmosfery wybuchowej. Całość
jest dla bezpieczeństwa umieszczona w rurze stalowej o
wytrzymałości na wewnętrzny wzrost ciśnienia nie
mniejszej od 1 000 MPa.
Badanie przeprowadzono dla kilku stężeń wodoru –
stężenia optymalnego 28% (stężenie objętościowe) oraz
dla 10, 15, 18, 20, 22, 25. Są to wartości średnie za całą
pojemność komory, lokalne wartości stężeń mogły być
różne. Niepewność uzyskiwania powyższych średnich
stężeń wynosiła ok. 2%. Czas wypełniania komory
atmosferą wybuchową wynosił od 10 do 15 minut.
Przewód ulotowy zasilano dodatnim napięciem z
regulowanego zasilacza wysokiego napięcia stałego. W
celu ograniczenia możliwości wyładowania iskrowego z
pojemności wyjściowej zasilacza wynoszącej 268 pF,
między zasilaczem i przewodem ulotowym zastosowano
wysokonapięciowy rezystor o rezystancji 1 MΩ.
Po wypełnieniu komory atmosferą wybuchową,
zamykano zawór odcinający i włączano zasilacz
wysokiego napięcia, stopniowo zwiększając (skokowo, co
10 µA) natężenie prądu ulotu, Az do momentu
nastąpienia wybuchu. Jednocześnie rejestrowano wartość
napięcia wyjściowego zasilacza do momentu wybuchu, w
którym napięcie wyjściowe zasilacza gwałtownie malało.
3. Wyniki badań
Zależność średnich wartości granicznych natężenia prądu
ulotu, spadku napięcia oraz mocy doprowadzonej do
elektrody ulotowej, przy których następował zapłon
natężenia prądu ulotu w momencie zapłonu (z
dokładnością do 10 µA) pokazano na rys. 2. i rys. 3.
Rys. 2. Zależności uśrednionych wartości natężenia zapalającego
prądu ulotu (Iz) oraz napięcia zasilania przewodu ulotowego(Uz) i
mocy przebiegu zapalającego (pz).
Minimalne zarejestrowane wartości prądu ulotu oraz
energii zgromadzonej w pojemności międzyelektrodowej,
w momencie zapłonu, przedstawiono na rys. 4. i 5.
Rys. 1. Przekrój komory wybuchowej.
Sympozjum naukowo-techniczne
„Bezpieczeństwo techniczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem.” EpsilonX 2013
Główny Instytut Górnictwa, Katowice
Rys. 3. Odchylenie standardowe wartości zmierzonych zmiennych z
rys. 2.
Rys. 4. Minimalne wartości prądu ulotu przy których zrejestrowano
zapłon, w funkcji stężenia wodoru.
Rys. 5. Minimalne wartości energii zgromadzonej w pojemności
międzyelektrodowej, przy których zrejestrowano zapłon, w funkcji
stężenia wodoru.
4. Dyskusja i wnioski
Przeprowadzone pomiary wykazały, że zapłon atmosfery
wodorowej
jest
możliwo
w
przypadku
niskoenergetycznych wyładowań elektrostatycznych.
Uzyskane minimalne wartości natężenia prądu
zapalającego są zbliżone do podawanych w literaturze
(np. [4], [10]). Także kształt krzywej minimalnej energii
przy której uzyskano zapłon zgodny jest kształtem
zależności MEZ od stężenia wodoru. Zgodnie z danymi
literaturowymi (np. [4]), MEZ dla mieszaniny powietrza z
wodorem wynosi ok. 0,016 mJ, przy stężeniu
optymalnym równym 22%, a dla stężeń z zakresu 15 –
30% nie przekracza 0,03 mJ. W przeprowadzonych
badaniach uzyskano stężenie optymalne 20%, może
jednak być spowodowane niedokładnością mieszania
powietrza i wodoru. Ponieważ energia zgromadzona w
pojemności międzyelektrodowej w momencie zapłonu
przekraczała wartość MEZ od 6 do 10 razy, uzyskanie
zapłonu było bardzo prawdopodobne. Na podstawie
uzyskanych wyników nie można wnioskować, czy zapłon
następował na skutek samego wyładowania ulotowego, w
postaci strimerów lub jarzenia, czy też przekształcenia się
ulotu w pojemnościowe wyładowania iskrowe. Należy
zwrócić uwagę, że układ elektrod w którym następuje
ulot, ma skończoną wartość pojemności elektrycznej,
zazwyczaj wystarczającej do zgromadzenia energii
wystarczającej do spowodowania zapłonu, ponieważ już
przy napięciu włączenia ulotu, wartość tej energii może
przekraczać wartość MEZ (np. w przeprowadzonym
eksperymencie napięcie to wynosiło 9,97 kV a
zgromadzona w pojemności międzyelektrodowej energia
wynosiła tu 0.042 mJ). Przeprowadzone badania
wykazały, że tam gdzie dochodzi do wyładowania
ulotowego, ryzyko zapłonu wodorowej atmosfery
wybuchowej
jest
bardzo
duże.
Jednak
w
przeprowadzonym eksperymencie zastosowano zasilanie
ciągłe elektrody ulotowej, dlatego nie można
rozstrzygnąć czy wyładowanie powodował jeden strimer
czy wiele następujących seryjnie. Dla rozstrzygnięcia tej
wątpliwości konieczne jest przeprowadzenie badań z
zastąpieniem zasilania ciągłego, zasilaniem impulsowym,
o parametrach zbliżonych od rzeczywistych wyładowań
elektrostatycznych.
[1] Astbury G.R.: Venting of Low Pressure Hydrogen Gas. A
Critique of Literature. Process Saf. Environ. Protect.,
85/2007, s. 289-304.
[2] Astbury G.R., Hawksworth S.J.: Spontaneous ignition of
hydrogen leaks: A review of postulated mechanisms, Int.
J. Hydrogen Energy, 32(13)/2007, s. 2178-2185.
[3] Astbury G.R.: A review of the properties and hazards of
some alternative fuels. Process Saf. Environ. Protect.,
86/2008, s. 397-414.
[4] Babrauskas V.: Ignition Handbook. Fire Science
Publishers, Society of Fire Protection Engineers,
Issaquah, 2003.
[5] Britton L. G.: Avoiding static hazards in chemical
operations. Center for Chemical Process Safety of the
American Institute of Chemical Engineers, New
York, 1999.
[6] Chang J.S., Kelly A.J., Crowley J.M. (red.): Handbook of
Electrostatic Processes. Marcel Dekker, Inc., New York,
Basel, Hong Kong, 1995.
[7] Imamura T., Mogi T., Wada Y.: Control of the ignition
possibility of hydrogen by electrostatic discharge at ventilation
duct outlet. Int. J. Hydrogen Energy, 34/2009, s. 28152832.
Sympozjum naukowo-techniczne
„Bezpieczeństwo techniczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem.” EpsilonX 2013
Główny Instytut Górnictwa, Katowice
[8] Lüttgens G., Wilson N.: Electrostatic hazards.
Butterworth-Heinemann,
Oxford,
Boston,
Johannesburg, Melbourne, New Delhi, Singapore,
1997.
[9] Merilo E.G., Groethe M.A., Adamo R.C. i wsp.: Selfignition of hydrogen releases through electrostatic discharge
induced by entrained particulates. Int. J. Hydrogen Energy,
37/2012, s. 17561-17570.
[10] Royle M., Willoughby D.: The safety of the future
hydrogen economy. Process Saf. Environ. Protect.,
89/2011, s. 452-462.
Publikacja opracowana na podstawie wyników II etapu
programu wieloletniego pn. „Poprawa bezpieczeństwa i
warunków pracy”, finansowanego w latach 2011-2013 w
zakresie zadań służb państwowych przez Ministerstwo
Pracy i Polityki Społecznej.
Koordynator programu: Centralny Instytut Ochrony
Pracy – Państwowy Instytut Badawczy
Informacje dodatkowe o autorze.
Autor artykułu, dr inż. Zygmunt J. Grabarczyk jest
pracownikiem naukowowo-badawczym Centralnego
Instytutu Ochrony Pracy – Państwowego Instytutu
Badawczego, w którym kieruje Laboratorium
Elektryczności Statycznej. Autor jest członkiem zarządu
Polskiego
Komitetu
Elektrostatyki
SEP,
wiceprzewodniczącym Komitetu Technicznego PKN nr
141 ds. Elektryczności Statycznej oraz członkiem
Komitetu Technicznego TC 101/IEC Electrostatics.
Kontakt:
e-mail: [email protected],
Tel. 22 623 46 44, Fax: 22 623 36 93
* K O N I E C *
Sympozjum naukowo-techniczne
„Bezpieczeństwo techniczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem.” EpsilonX 2013
Główny Instytut Górnictwa, Katowice